FR2933203A1

FR2933203A1 - Cloud's e.g. anvil-shaped cumulonimbus cloud, convection intensity characterisizing method for e.g. X-band airborne radar, in aircraft, involves characterisizing cloud as convective and stratiform when profile is equal to respective values

Info

Publication number: FR2933203A1
Application number: FR0803634A
Authority: FR
Inventors: Clementine Costes; Nicolas Bon; Jean Paul Artis; Frederic Mesnard; Olivier Pujol; Henri Sauvageot
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-01
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: US20100164786A1; US8098188B2; FR2933203B1

Abstract

The method involves discretizing reflectivity distribution along a network of points in a three dimensional space. A global profile (22) is defined as a function (23) i.e. real two-dimensional function, of a parameter (21) e.g. horizontal gradient. The function is enabled to vary uniformly between minimum and maximum constant values, where the function is equal to the minimum and maximum values when a parameter value is less than minimum and maximum thresholds, respectively. A cloud is characterisized as convective and stratiform when the profile is equal to the respective values.

Description

PROCEDE DE CARACTERISATION DE L'INTENSITE DE CONVECTION D'UN NUAGE, PAR UN RADAR METEOROLOGIQUE METHOD FOR CHARACTERIZING CONVECTION INTENSITY OF A CLOUD BY METEOROLOGICAL RADAR

La présente invention concerne un procédé de caractérisation de l'intensité de convection d'un nuage par un radar météorologique. Elle s'applique notamment à des radars météorologiques embarqués sur des avions. The present invention relates to a method for characterizing the convection intensity of a cloud by a weather radar. It applies in particular to weather radars embedded on aircraft.

En cours de vol, le pilote d'un avion utilise généralement un système d'observations météorologiques issues d'un radar lui donnant des informations sur l'état de l'atmosphère dans le but de détecter les risques inhérents aux situations météorologiques permettant entre autre de restituer un champ de vitesse Doppler et un champ de réflectivité radar en trois dimensions, 3D. Ces champs sont obtenus en effectuant avec le radar des balayages successifs suivant différents angles de site et d'azimut. En chaque point d'une grille 3D couvrant le domaine d'observation, on dispose ainsi en particulier d'une information de réflectivité radar dépendant de la longueur d'onde utilisée et des propriétés de réflexion, d'absorption et de diffusion des cibles présentes dans le volume de résolution radar. Sur l'écran de contrôle, dans le poste de pilotage, le pilote voit alors s'afficher une information météorologique analysée généralement selon quatre niveaux de couleurs correspondant soit à l'absence de signal, soit à un facteur de réflectivité faible, modéré ou fort. Le pilote interprète ces informations en termes de risque pour décider s'il peut conserver la trajectoire prévue pour son avion ou s'il doit la modifier pour éviter une zone présentant des risques météorologiques, par exemple une zone où un orage se produit. Pour simplifier la démarche du pilote dans sa prise de décision, il est utile de 25 traduire les champs météorologiques observés par le radar en un champ décrivant le niveau de risque météorologique. Généralement, les radars météorologiques embarqués sur les avions fonctionnent en bande X. La réflectivité radar mesurée par un radar météorologique en bande X utilisant une seule longueur d'onde, présente 30 une ambiguïté en ce qui concerne sa relation avec la nature et les caractéristiques des hydrométéores, telles que des gouttes d'eau, de neige ou de grêle notamment, qui l'ont générée. En effet, cette relation est fortement non bijective. Par conséquent un même niveau de réflectivité peut être généré par des hydrométéores de natures très différentes, provenant soit de la neige ou de la grêle notamment, correspondant à des situations météorologiques également très différentes du point de vue du risque aéronautique, par exemple des nuages stratiformes et des nuages de convection épaisse tels que les cumulonimbus. Ce défaut de bijectivité concerne notamment la grêle composée de grêlons de taille supérieure à environ un centimètre de diamètre sphérique équivalent. Ces grêlons sont situés hors du domaine de diffusion de Rayleigh, dans lequel travaillent usuellement les radars météorologiques. Ils se trouvent alors dans le domaine de diffusion de Mie qui est tel que lorsque la taille du grêlon augmente, sa réflectivité diminue. II est donc nécessaire de lever cette ambiguïté et d'obtenir avec un radar météorologique à la fois des informations sur la nature dynamique des nuages générateurs du champ de réflectivité, nuages stratiformes ou nuages convectifs intenses de type cumulonimbus d'orage, et sur la nature microphysique des hydrométéores, issus de pluie, de neige ou de gros grêlons. Des solutions sont connues pour lever cette ambiguïté. En particulier on sait déterminer le niveau de risque en chaque point de grille en utilisant de simples seuils sur le facteur de réflectivité radar observé en ces points. Si celui-ci est supérieur à 40 dBZ, le risque est considéré comme fort tandis que s'il est inférieur à 30 dBZ le risque est considéré comme faible. Entre ces deux valeurs, le risque est considéré comme modéré. Ces seuils peuvent éventuellement être différents selon les régions survolés conformément notamment à ce qui est décrit dans le brevet US 7 129 885. Cette méthode d'estimation du risque par la seule valeur ponctuelle de la réflectivité radar a notamment pour inconvénient qu'elle peut conduire à une sous-estimation ou une surestimation du risque dans certaines situations météorologiques. Par exemple, une forte averse de neige dans un système stratiforme peut être vue par un radar avec des facteurs de réflectivité élevés, supérieurs à 40 dBZ, alors que la situation ne présente pas de risque pour l'avion en vol. During the flight, the pilot of an airplane generally uses a system of meteorological observations from a radar giving him information on the state of the atmosphere in order to detect the risks inherent in meteorological situations allowing inter alia to render a Doppler velocity field and a three-dimensional radar reflectivity field, 3D. These fields are obtained by performing successive sweeps with the radar at different angles of elevation and azimuth. In each point of a 3D grid covering the field of observation, it thus has in particular a radar reflectivity information depending on the wavelength used and the reflection, absorption and diffusion properties of the targets present. in the radar resolution volume. On the control screen, in the cockpit, the pilot then sees meteorological information analyzed generally according to four color levels corresponding either to the absence of a signal or to a low, moderate or strong reflectivity factor. . The pilot interprets this information in terms of risk to decide whether he can maintain the intended course of his aircraft or whether he must modify it to avoid an area with weather risks, for example an area where a thunderstorm occurs. To simplify the pilot's decision making process, it is useful to translate the meteorological fields observed by the radar into a field describing the level of meteorological risk. In general, weather radars on aircraft operate in the X-band. The radar reflectivity measured by an X-band weather radar using a single wavelength presents an ambiguity as to its relation to the nature and characteristics of the aircraft. hydrometeors, such as drops of water, snow or hail in particular, which generated it. Indeed, this relation is strongly non-bijective. Consequently, the same level of reflectivity can be generated by hydrometeors of very different natures, originating in particular from snow or hail, corresponding to meteorological situations also very different from the point of view of aeronautical risk, for example stratiform clouds. and thick convection clouds such as cumulonimbus clouds. This lack of bijectivity concerns in particular the hail composed of hailstones of size greater than about one centimeter of equivalent spherical diameter. These hailstones are located outside the Rayleigh scattering domain, in which weather radars usually work. They are then in the field of Mie diffusion which is such that when the size of the hailstone increases, its reflectivity decreases. It is therefore necessary to remove this ambiguity and to obtain with a meteorological radar both information on the dynamic nature of the generating clouds of the reflectivity field, stratiform clouds or intense convective clouds of cumulonimbus storm type, and on the nature microphysics of hydrometeors, from rain, snow or large hailstones. Solutions are known to remove this ambiguity. In particular it is known to determine the level of risk at each grid point by using simple thresholds on the radar reflectivity factor observed at these points. If this is greater than 40 dBZ, the risk is considered strong, whereas if it is lower than 30 dBZ the risk is considered low. Between these two values, the risk is considered moderate. These thresholds may possibly be different according to the regions overflown in accordance in particular with that described in US Pat. No. 7,129,885. This method of estimating the risk by the single point value of the radar reflectivity has the particular drawback that it may lead to underestimation or overestimation of risk in certain meteorological situations. For example, a heavy snowfall in a stratiform system can be seen by a radar with high reflectivity factors greater than 40 dBZ, while the situation poses no risk to the aircraft in flight.

Un but de l'invention est notamment d'éviter cet inconvénient et de lever 35 l'ambiguïté précitée de façon fiable. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de caractérisation de l'intensité de convection d'un nuage, la réflectivité dudit nuage à une onde électromagnétique étant distribuée dans l'espace, la distribution de la réflectivité étant discrétisée selon un réseau de points (i, j, k) de l'espace en trois dimensions, au moins un profil est défini comme une fonction d'un paramètre, lui-même fonction numérique donnée à deux dimensions (i, j) de la distribution de la réflectivité en chaque point du réseau, ladite fonction variant uniformément entre une valeur constante minimale et une valeur constante maximale, la fonction étant égale à la valeur minimale lorsque le paramètre est inférieur à un seuil bas (Seuil min) et étant égale à la valeur maximale lorsque le paramètre est supérieur à un seuil haut (Seuil max), le nuage étant caractérisé comme convectif lorsque le profil est égal à l'une des valeurs constante et comme stratiforme lorsqu'il est égal à l'autre valeur constante. Avantageusement, la fonction du paramètre est par exemple normalisée. An object of the invention is in particular to avoid this drawback and to overcome the aforementioned ambiguity reliably. For this purpose, the subject of the invention is a method for characterizing the convection intensity of a cloud, the reflectivity of said cloud to an electromagnetic wave being distributed in space, the distribution of the reflectivity being discretized according to a network. of points (i, j, k) of the three-dimensional space, at least one profile is defined as a function of a parameter, itself a given two-dimensional numerical function (i, j) of the distribution of the reflectivity at each point of the grating, said function varying uniformly between a minimum constant value and a maximum constant value, the function being equal to the minimum value when the parameter is lower than a low threshold (Threshold min) and being equal to the maximum value when the parameter is greater than a high threshold (Max threshold), the cloud being characterized as convective when the profile is equal to one of the constant values and stratiform when it is st equal to the other constant value. Advantageously, the function of the parameter is for example normalized.

La fonction numérique à deux dimensions (i, j), définissant un paramètre, est par exemple calculée dans le plan horizontal. Un nuage convectif correspond par exemple à la valeur constante haute. Le profil peut être un profil global combinant plusieurs profils, ledit profil global étant défini par une fonction normalisée d'un paramètre combinant les différents paramètres numériques liés aux dits profils. La combinaison des différents paramètres est par exemple une moyenne pondérée. Un paramètre est par exemple l'intégrale de la réflectivité selon la dimension verticale (z, k). The two-dimensional numerical function (i, j), defining a parameter, is for example calculated in the horizontal plane. A convective cloud corresponds for example to the constant high value. The profile may be a global profile combining several profiles, said global profile being defined by a standardized function of a parameter combining the different numerical parameters related to said profiles. The combination of the different parameters is for example a weighted average. A parameter is for example the integral of the reflectivity according to the vertical dimension (z, k).

Un paramètre peut être une mesure de la hauteur de colonne, selon la dimension verticale, pour laquelle les points pris en compte sont ceux dont la valeur de réflectivité est supérieure à un seuil donné. Un paramètre peut aussi être l'altitude maximum où les réflectivités sont supérieures à un seuil donné. A parameter can be a measurement of the column height, according to the vertical dimension, for which the points taken into account are those whose reflectivity value is greater than a given threshold. A parameter can also be the maximum altitude where the reflectivities are greater than a given threshold.

Un paramètre est par exemple la réflectivité maximum calculée dans une verticale donnée. Un paramètre est par exemple le gradient vertical de réflectivité entre une zone de réflectivité maximum et l'altitude maximum où les réflectivités sont supérieures à un seuil donné. A parameter is for example the maximum reflectivity calculated in a given vertical. One parameter is, for example, the vertical reflectivity gradient between a maximum reflectivity zone and the maximum altitude where the reflectivities are greater than a given threshold.

Un paramètre peut aussi être le gradient horizontal de la réflectivité à une altitude donnée. A parameter can also be the horizontal gradient of reflectivity at a given altitude.

Le paramètre est par exemple calculé dans un volume déterminé. The parameter is for example calculated in a determined volume.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la figure qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, une illustration d'un réseau de réflectivité radar à l'intérieur d'un nuage ; la figure 2, un profil caractérisant un nuage, utilisé par un procédé selon l'invention ; - la figure 3, un exemple de combinaison possible de profils caractérisant un nuage, dans un procédé selon l'invention. Other characteristics and advantages of the invention will become apparent with the aid of the following figure made with reference to appended drawings which represent: FIG. 1, an illustration of a radar reflectivity network inside a cloud ; FIG. 2, a profile characterizing a cloud, used by a method according to the invention; FIG. 3, an example of possible combination of profiles characterizing a cloud, in a method according to the invention.

La figure 1 illustre une grille de réflectivité dans l'espace. L'espace est discrétisé selon un réseau de points de l'espace, en trois dimensions. Ce réseau forme une structure appelée grille par la suite. Chaque point de la grille, repéré par son indice i selon une ligne I, son indice j selon une ligne J et son indice k selon une ligne K présente une réflectivité Z(i, j, k) qui est détectée par un radar météorologique. Les indices i, j définissent la position d'un point dans le plan horizontal, et l'indice k défini la position verticale de ce point. L'espace ainsi discrétisé est mémorisé dans le calculateur du radar avec les réflectivités associées Z(i, j, k). Une matrice à trois dimensions est ainsi stockée que l'on confondra par la suite avec la grille de l'espace. On pourra ainsi de façon indifférente parler de grille de réflectivité Z(i, j, k) ou de matrice de réflectivité Z(i, j, k). La matrice de réflectivité peut être renouvelée ou mise à jour au fur et à mesure des périodes d'observation du radar. La matrice de réflectivité correspond à un domaine d'observation couvert par le radar. Figure 1 illustrates a reflectivity grid in space. The space is discretized according to a network of points of space, in three dimensions. This network forms a structure called grid afterwards. Each point of the grid, identified by its index i along a line I, its index j along a line J and its index k along a line K has a reflectivity Z (i, j, k) which is detected by a weather radar. The indices i, j define the position of a point in the horizontal plane, and the index k defines the vertical position of this point. The space thus discretized is stored in the radar computer with the associated reflectivities Z (i, j, k). A three-dimensional matrix is thus stored which will be confused later with the grid of the space. It is thus possible indifferently to speak of a reflectivity grid Z (i, j, k) or a reflectivity matrix Z (i, j, k). The reflectivity matrix can be renewed or updated as radar observation periods. The reflectivity matrix corresponds to a field of observation covered by the radar.

Le procédé selon l'invention permet de caractériser l'intensité de convection d'un nuage à partir des la distribution spatiale de sa réflectivité, plus particulièrement en fonction de la distribution spatiale discrétisée, selon une grille par exemple. En fonction de cette caractérisation, il est ensuite possible d'estimer, par un pilote ou de façon automatique au moyen d'un programme d'analyse, les risques liés à ce nuage. The method according to the invention makes it possible to characterize the convective intensity of a cloud from the spatial distribution of its reflectivity, more particularly as a function of the discretized spatial distribution, according to a grid for example. Depending on this characterization, it is then possible to estimate, by a pilot or automatically by means of an analysis program, the risks associated with this cloud.

La figure 2 illustre par une courbe 1 une fonction de normalisation définissant un type de profil selon la valeur d'un paramètre considéré, ce profil défini par une courbe fonction de ce paramètre est du type à deux dimensions 2D. FIG. 2 illustrates, by a curve 1, a normalization function defining a type of profile according to the value of a parameter considered, this profile defined by a curve function of this parameter is of the 2D two-dimensional type.

L'invention part du fait que pour estimer le niveau de risque en un point de la grille de réflectivité, la valeur ponctuelle du facteur de réflectivité apporte une réponse ambigüe donc insuffisante. Pour compléter l'information relative au seuil de réflectivité, l'invention considère un ensemble de paramètres relatifs à la distribution spatiale de réflectivité permettant de déterminer le caractère convectif épais ou stratiforme d'un nuage. La connaissance de ce caractère permet non seulement de connaître la nature physique des hydrométéores responsables d'un signal reçu par un radar mais aussi de pondérer correctement le risque lié à la dynamique des nuages par l'identification du caractère convectif ou stratiforme. The invention starts from the fact that in order to estimate the level of risk at a point in the reflectivity grid, the point value of the reflectivity factor provides an ambiguous response that is therefore insufficient. To complete the information relating to the reflectivity threshold, the invention considers a set of parameters relating to the reflectivity spatial distribution for determining the thick or stratiform convective nature of a cloud. The knowledge of this character makes it possible not only to know the physical nature of the hydrometeors responsible for a signal received by a radar but also to correctly weight the risk related to the dynamics of the clouds by the identification of the convective or stratiform character.

En ce qui concerne l'identification de profils, plusieurs critères doivent être pris en compte pour obtenir ce profil. Ces critères sont ensuite exploités, par exemple à l'aide d'un arbre de décision, ou encore en intervenant comme les termes d'une somme pondérée. Dans ce dernier cas, les critères étant de natures différentes, ils sont par exemple normalisés, par exemple de façon que chacun d'eux varie entre la valeur 0 et la valeur 1 comme illustré sur la figure 2. Il s'agit donc de choisir un seuil haut , Seuil max sur la figure 1, un seuil bas, Seuil min sur la figure 2, et une fonction de normalisation pour chaque paramètre. La fonction peut être linéaire comme dans la figure 1, variant donc linéairement entre Seuil min et Seuil max. La fonction peut néanmoins présenter une autre forme. Ces seuils sont choisis tels qu'ils correspondent, suivant le critère adopté, pour l'un à une situation convective intense, cas du seuil haut, et pou l'autre à une situation stratiforme, cas du seuil bas. Ainsi, après normalisation du critère, un profil convectif intense obtient le score 1 tandis qu'un profil stratiforme obtient le score O. Si le profil est ambigu ou de convection peu intense, il obtient un score intermédiaire défini par la partie linéaire de la courbe. Les différents critères normalisés sont pondérés en fonction de la confiance que l'on accorde à chacun. Le score final est comparé à un seuil afin de déterminer la nature du profil. With regard to the identification of profiles, several criteria must be taken into account to obtain this profile. These criteria are then exploited, for example using a decision tree, or by intervening as the terms of a weighted sum. In the latter case, the criteria being of different natures, they are for example normalized, for example so that each of them varies between the value 0 and the value 1 as illustrated in FIG. 2. It is therefore a matter of choosing a high threshold, maximum threshold in FIG. 1, a low threshold, min threshold in FIG. 2, and a normalization function for each parameter. The function can be linear as in Figure 1, thus varying linearly between Threshold min and Threshold max. The function can nevertheless have another form. These thresholds are chosen as they correspond, according to the criterion adopted, for one to an intense convective situation, case of the high threshold, and for the other to a stratiform situation, case of the low threshold. Thus, after standardization of the criterion, an intense convective profile obtains the score 1 while a stratiform profile obtains the score O. If the profile is ambiguous or of low intensity convection, it obtains an intermediate score defined by the linear part of the curve. . The different standardized criteria are weighted according to the trust that is given to each. The final score is compared to a threshold to determine the nature of the profile.

La figure 3 illustre par un schéma le principe d'identification de profils stratiformes ou convectifs utilisé par un procédé selon l'invention pour estimer des risques météorologiques. A partir du champ de réflectivité 3D 20, et pour chaque critère d'identification on calcule le paramètre correspondant 21 auquel on applique une fonction de normalisation du type de celle illustrée par la figure 2. On obtient ainsi autant de champs de profils 22, en 2D, que de critères choisis. L'exemple de la figure 2 comporte n critères. Dans un cas limite, il est possible de n'utiliser qu'un seul critère, n = 1 dans ce cas. FIG. 3 schematically illustrates the principle of identification of stratiform or convective profiles used by a method according to the invention for estimating meteorological risks. From the 3D reflectivity field 20, and for each identification criterion, the corresponding parameter 21 is computed, to which a normalization function of the type of that illustrated in FIG. 2 is applied. Thus, as many profile fields 22 are obtained as in FIG. 2D, that of selected criteria. The example in Figure 2 has n criteria. In a borderline case, it is possible to use only one criterion, n = 1 in this case.

Les champs de profils sont par exemple par la suite combinés pour une fonction 23 qui peut être une moyenne pondérée afin d'obtenir un seul champ de profil 24 utilisable pour la détermination du type microphysique des hydrométéores et du niveau de risque encouru par l'avion. Plusieurs critères d'identification peuvent donc être utilisés. Comme indiqué précédemment, un radar météorologique permet de restituer un champ de vitesse Doppler et champs de réflectivité en trois dimensions, 3D. En chaque point d'une grille 3D, préalablement définie et telle qu'illustré par exemple par la figure 1, et couvrant un domaine d'observation, on dispose ainsi d'une information de réflectivité. The profile fields are for example subsequently combined for a function 23 which may be a weighted average in order to obtain a single profile field 24 that can be used for determining the microphysical type of hydrometeors and the level of risk incurred by the aircraft. . Several identification criteria can therefore be used. As indicated above, a weather radar makes it possible to restore a field of Doppler velocity and reflectivity fields in three dimensions, 3D. At each point of a 3D grid, previously defined and as illustrated for example in FIG. 1, and covering an observation domain, this provides reflectivity information.

Les caractéristiques microphysiques des hydrométéores sont à déterminer pour chaque point de la grille mais le profil stratiforme/convectif en peut être identifié en ne considérant qu'un seul point. L'invention propose plusieurs paramètres qui permettent l'identification des profils. Ils sont calculés à partir des réflectivités mesurées en tous points de grille à la verticale du point considéré. A partir du champ 3D de réflectivité fourni par le radar, et éventuellement interpolé dans un repère approprié, par exemple le repère géocentré latitude ù longitude ù altitude, le procédé selon l'invention calcule un champ 2D de valeurs pour chaque paramètre d'identification. The microphysical characteristics of the hydrometeors are to be determined for each point of the grid but the stratiform / convective profile can be identified by considering only one point. The invention proposes several parameters that allow the identification of the profiles. They are calculated from the reflectivities measured at all grid points vertically of the point considered. From the 3D reflectivity field provided by the radar, and optionally interpolated in an appropriate reference frame, for example the geocentric latitude-longitude coordinate at altitude, the method according to the invention calculates a 2D field of values for each identification parameter.

Un premier critère possible, appelé VIZ, est l'intégrale de la réflectivité le long de la verticale, en un point donné selon l'horizontale. II est représentatif de la quantité des précipitations en ce point donné. VIZ est déterminé en calculant l'intégrale de la réflectivité Z selon la verticale :35 =m~ VIZ(x, y) = J Z(x, y, z)dz 0 où x et y désignent les coordonnées cartésiennes du point selon l'horizontale et z la coordonnée verticale, l'intégrale étant calculée jusqu'à une 5 coordonnée maximale zmax le long de la verticale. A first possible criterion, called VIZ, is the integral of the reflectivity along the vertical, at a given point along the horizontal. It is representative of the quantity of precipitation at this given point. VIZ is determined by calculating the integral of the reflectivity Z according to the vertical: 35 = m ~ VIZ (x, y) = JZ (x, y, z) dz 0 where x and y denote the Cartesian coordinates of the point according to the horizontal and z the vertical coordinate, the integral being computed to a maximum coordinate zmax along the vertical.

Etant donné que les valeurs de réflectivité selon la verticale sont données dans la grille 3D de manière discrète, le calcul numérique du champ 2D de VIZ est donc donné par la relation suivante : kmax 10 VIZJ = 1Zy-k (2) k=0 où i et j représentent les indices selon les deux dimensions horizontales et k l'indice vertical, Z;~k est la réflectivité au point d'indices i, j et k de la grille de réflectivité. Since the reflectivity values according to the vertical are given in the 3D grid in a discrete manner, the numerical calculation of the 2D field of VIZ is therefore given by the following relation: kmax 10 VIZJ = 1Zy-k (2) k = 0 where i and j represent the indices according to the two horizontal dimensions and k the vertical index, Z; ~ k is the reflectivity at the point of indices i, j and k of the reflectivity grid.

15 Cette somme définie par la relation (2) peut être remplacée par la somme des intensités de précipitation selon la verticale. Un autre paramètre possible est la hauteur de colonne, notée Hco,onne. L'une des caractéristiques principales des zones convectives est leur extension This sum defined by relation (2) can be replaced by the sum of precipitation intensities according to the vertical. Another possible parameter is the column height, denoted Hco, onne. One of the main characteristics of convective zones is their extension

20 verticale importante. Le critère de hauteur de colonne représente la hauteur cumulée d'une colonne de valeurs de réflectivités supérieures à un seuil donné. Le critère de hauteur de colonne, en un point d'indices i, j selon l'horizontale, est ainsi donnée par la relation suivante : kmax Hcolonne = az;k 4A~ 25 k=0 1 1 si Z > seuil avec 8 = Z 0 sinon Dans cette relation (3), AA"k représente le pas en distance suivant l'axe vertical au niveau du point de la grille d'indices i, j et k, k étant l'indice selon la verticale, et kmax étant l'indice du point le plus haut. Z est la réflectivité au 30 point i, j, k.. 7 (1) (3) Un autre critère qui peut être utilisé par l'invention est complémentaire de la hauteur de colonne. Il sera appelé par la suite écho top et noté Etop. II permet d'améliorer la probabilité de détection dans certaines configurations, notamment pour les cumulonimbus en forme d'enclume. Il correspond à l'altitude de l'écho le plus haut sur une colonne d'observation détecté par le radar. Pour chaque colonne repérée dans le plan horizontale par un couple d'indices (i, j) dans la grille de réflectivité, on recherche l'élément d'indice vertical k le plus élevé pour lequel la réflectivité est supérieure à un seuil donné. En chaque couple (i, j), la valeur du champ d'écho top est l'altitude de l'élément trouvé, ainsi le critère Etop est donné par la relation suivante : 20 significant vertical. The column height criterion represents the cumulative height of a column of reflectivity values greater than a given threshold. The criterion of column height, in a point of indices i, j according to the horizontal, is thus given by the following relation: kmax Hcolonne = az; k 4A ~ 25 k = 0 1 1 if Z> threshold with 8 = Z 0 otherwise In this relation (3), AA "k represents the step in distance along the vertical axis at the point of the grid of indices i, j and k, where k is the index according to the vertical, and kmax being the index of the highest point Z is the reflectivity at point i, j, k .. 7 (1) (3) Another criterion which can be used by the invention is complementary to the column height. It will be called echo-top and noted Etop, which improves the probability of detection in certain configurations, especially for anvil-shaped cumulonimbus, and corresponds to the altitude of the highest echo on a observation column detected by the radar For each column indicated in the horizontal plane by a pair of indices (i, j) in the reflectivity grid, we reckon the highest vertical index element k for which the reflectivity is greater than a given threshold. In each pair (i, j), the value of the echo field top is the altitude of the element found, so the Etop criterion is given by the following relation:

Etopu = maxk (Auk , Zuk > 0) (4) où Auk désigne l'altitude d'un point de la grille de réflectivité et max k le maximum suivant k. Etopu = maxk (Auk, Zuk> 0) (4) where Auk denotes the altitude of a point in the reflectivity grid and max k the maximum following k.

Un autre critère possible est le facteur de réflectivité maximum rencontré dans une colonne, Zmax. Il permet de localiser rapidement les zones de précipitation intense, telle que la grêle, les fortes pluies ou la neige. Zmax, selon une colonne définie par ses indices i, j dans le plan horizontal, est obtenu selon la relation suivante : Another possible criterion is the maximum reflectivity factor encountered in a column, Zmax. It can quickly locate areas of intense precipitation, such as hail, heavy rain or snow. Zmax, according to a column defined by its indices i, j in the horizontal plane, is obtained according to the following relation:

Zmax ~ =maxk (Z,~k ) (5) Un autre critère possible est le gradient vertical de réflectivité, gradä (Z). II s'agit du gradient vertical de réflectivité entre l'altitude correspondant au facteur Zmax et celle du sommet des échos, c'est-à-dire entre l'altitude zM où l'on observe le maximum de réflectivité et l'écho top Etop. Si le maximum de réflectivité s'étend sur plusieurs points de grille, l'altitude moyenne est alors considérée. Le gradient gradä (Z) est donné par la relation (7) issue de la relation (6) suivante : grade Z(x, y, z) _ Z(x, y, zM) ù Z(x, y, Etop) zM ù Etop (6) Dans le domaine numérique, en considérant les points discrétisés de la grille, en un point d'indices i, j, k : grade Z = Z(Auk,Zjk = Zmax) ù Z(A;, , A,jk = Etop) (7) Un autre critère possible est le gradient horizontal de réflectivité, gradH(Z). Il s'agit du gradient de réflectivité selon un plan horizontal à une altitude z choisie. En raison du caractère bidirectionnel de ce gradient, on considère par exemple sa norme, donnée par la relation suivante : IlgradH Z(x, y, z)II = z ùv2 ( aZ\2 'ôZ + ù \.ôx,Z ôyiZ (9) Du point de vue numérique, en un point i, j, k de la grille de réflectivité, le 15 gradient horizontal s'obtient selon la relation suivante : 2 2 Z(i+1) j,k=k, ù Zij,k=k, \ + Zi(j+I ),k=k ù Zij.k=k \ Zmax ~ = maxk (Z, ~ k) (5) Another possible criterion is the vertical gradient of reflectivity, gradä (Z). This is the vertical reflectivity gradient between the altitude corresponding to the factor Zmax and that of the vertex of the echoes, that is to say between the altitude zM where we observe the maximum reflectivity and the echo top Etop. If the maximum reflectivity extends over several grid points, then the average altitude is considered. The gradient gradä (Z) is given by the relation (7) resulting from the following relation (6): grade Z (x, y, z) _ Z (x, y, zM) ù Z (x, y, Etop) zM ù Etop (6) In the numerical domain, considering the discretized points of the grid, at a point of indices i, j, k: grade Z = Z (Auk, Zjk = Zmax) ù Z (A ;,, A, jk = Etop) (7) Another possible criterion is the horizontal gradient of reflectivity, gradH (Z). This is the reflectivity gradient along a horizontal plane at a selected altitude z. Because of the bi-directional nature of this gradient, we consider for example its norm, given by the following relation: IlgradH Z (x, y, z) II = z ùv2 (aZ \ 2 'ôZ + ù \ .ôx, Z ôyiZ ( 9) From the numerical point of view, at a point i, j, k of the reflectivity grid, the horizontal gradient is obtained according to the following relation: 2 2 Z (i + 1) j, k = k, ù Zij , k = k, \ + Zi (j + I), k = k ù Zij.k = k \

d. d . IJ,k=k, J )l,k=k, 20 en notant d; et di les pas selon les dimensions horizontales x et y respectivement. d. d. IJ, k = k, J) 1, k = k, noting d; and di not according to the horizontal dimensions x and y respectively.

Un autre critère qui peut être utilisé pour l'identification d'un profil est la réflectivité Z1500 au de dessus de l'isotherme 0° C, à une altitude d'environ 25 1500 mètres. Another criterion that can be used for the identification of a profile is the Z1500 reflectivity at the top of the 0 ° C isotherm, at an altitude of about 1500 meters.

Z1500 = Z(i, j, k15oo ) Z1500 = Z (i, j, k15oo)

où k15o0 est tel que Ajkisä =Ajkoc +1500, Alko°c étant l'altitude de 1/2 IlgradH Zuk Il ij,kk (10) 30 l'isotherme 0°C. where k15o0 is such that Ajkisä = Ajkoc +1500, Alko ° c being the altitude of 1/2 IlgradH Zuk Il ij, kk (10) 30 isotherm 0 ° C.

Les critères ou paramètres précédents sont fondés sur l'analyse d'une colonne de réflectivité. Il est aussi possible selon l'invention d'utiliser des critères volumiques. En particulier, d'autres critères fondés sur des volumes différents peuvent être utilisés. Le champ de profil calculé peut ainsi devenir un champ 3D. Dans l'exemple d'une sphère, pour chaque point i, j, k de l'espace où l'on veut calculer un type de profil, on considère une sphère de rayon fixé centré sur ce point. Certains des paramètres précédents acquièrent alors une définition différente. Le critère VIZ devient un critère d'intégration dans l'espace qui représente alors la somme des réflectivités dans le volume de référence, la sphère dans le présent exemple. Le critère Zmax devient un facteur de réflectivité maximum observé dans ce volume de référence. D'autres critères volumiques peuvent être définis : Le volume Vzseuil total pour lequel le facteur de réflectivité Z est supérieur à un seuil ZSeU11 déterminé. Il s'agit de sommer les volumes élémentaires pour lesquels Z dépasse une valeur seuil Zseuii (par exemple 35 dBZ). Ce paramètre indique le volume ou la convection est parvenue à son terme de développement. Plusieurs seuils peuvent être envisagés ; Le volume continu Vcontinu, zseuil pour lequel le facteur de réflectivité Z est supérieur à un seuil déterminé Zseu;,. Le procédé est identique au calcul de Vzseuu, à ceci près que l'on doit assurer la continuité du volume calculé. Ainsi, pour être comptabilisé, chaque point de grille doit posséder au moins un certain nombre de voisins tel que Z > Zseuil. The above criteria or parameters are based on the analysis of a reflectivity column. It is also possible according to the invention to use volume criteria. In particular, other criteria based on different volumes can be used. The calculated profile field can thus become a 3D field. In the example of a sphere, for each point i, j, k of the space where one wants to compute a type of profile, one considers a sphere of fixed radius centered on this point. Some of the preceding parameters then acquire a different definition. Criterion VIZ becomes a criterion of integration in space which then represents the sum of the reflectivities in the reference volume, the sphere in the present example. The criterion Zmax becomes a maximum reflectivity factor observed in this reference volume. Other volume criteria can be defined: The volume V total threshold for which the reflectivity factor Z is greater than a determined threshold ZSeU11. It is a question of summing the elementary volumes for which Z exceeds a threshold value Zseuii (for example 35 dBZ). This parameter indicates the volume where convection has reached its end of development. Several thresholds can be considered; The continuous volume Vcontinuous, zseuil for which the reflectivity factor Z is greater than a determined threshold Zseu ;. The process is identical to the calculation of Vzseuu, except that we must ensure the continuity of the calculated volume. Thus, to be counted, each grid point must have at least a certain number of neighbors such as Z> Zseuil.

Ce nombre est fixé initialement et il est inférieur ou égal à 18 qui est le nombre total d'arêtes et de faces d'un cube. On peut, en outre, ajouter une condition sur la hauteur minimale à considérer et prendre par exemple l'altitude de l'isotherme 0 °C. Ce paramètre donne le volume de la zone génératrice de la précipitation convective ; La réflectivité moyenne Zmoy dans Vcontinu, zseuil, ce paramètre s'applique aussi aux autres volumes comme une colonne ou une sphère par exemple ; Le rapport des axes d'un ellipsoïde pour lequel Z est supérieur à un seuil Zseuil fixé. II s'agit de représenter au mieux, la figure géométrique 35 correspondant à Z > Zseui1 par un ellipsoïde dont les axes sont av selon la verticale et aH selon le plan horizontal. On forme alors le rapport av/aH et on fixe un seuil permettant de séparer un profil de type convectif d'un profil de type stratiforme. Il est également possible d'utiliser des grandeurs statistiques sur des 5 volumes, comme par exemple la variance spatiale de réflectivité. Cela indique si l'on est en présence d'un système homogène, composé d'une seule cellule, ou de plusieurs cellules. This number is set initially and it is less than or equal to 18 which is the total number of edges and faces of a cube. One can, in addition, add a condition on the minimum height to consider and take for example the altitude of the isotherm 0 ° C. This parameter gives the volume of the generating zone of the convective precipitation; The average reflectivity Zmoy in Vcontinu, zseuil, this parameter also applies to other volumes like a column or a sphere for example; The ratio of the axes of an ellipsoid for which Z is greater than a threshold Z fixed threshold. It is a question of best representing, the geometrical figure 35 corresponding to Z> Zseui1 by an ellipsoid whose axes are av according to the vertical and aH according to the horizontal plane. The ratio av / aH is then formed and a threshold is set to separate a convective type profile from a stratiform type profile. It is also possible to use statistical quantities on volumes, such as the spatial variance of reflectivity. This indicates whether one is in the presence of a homogeneous system, composed of a single cell, or of several cells.

Pour chacun des paramètres d'identification précédemment définis, deux 10 seuils, haut et bas, sont nécessaires dans la fonction de normalisation pour calculer le profil, comme illustré notamment par la figure 2. Ces seuils sont par exemple choisis d'après l'analyse d'observations radar d'événements types, par exemple une tempête de neige ou de grêle caractéristique relevée en un point donné du globe.For each of the previously defined identification parameters, two thresholds, up and down, are required in the normalization function to calculate the profile, as illustrated in particular in FIG. 2. These thresholds are for example chosen according to the analysis. radar observations of typical events, such as a typical snowstorm or hail at a given point in the world.

15 Les caractéristiques des distributions des intensités de précipitation et donc de réflectivité peuvent différer selon la climatologie du lieu d'observation. II peut alors être nécessaire d'adapter les seuils suivant des considérations climatologiques. Par ailleurs, les seuils d'altitude, pour les critères écho-top et hauteur de 20 colonne, peuvent nécessiter une adaptation en fonction de la latitude de la zone observée. En effet, l'étagement des nuages en altitude est conditionné par la tropopause, dont l'altitude est fonction de la latitude du lieu. Comme l'illustre la figure 3, il est possible d'effectuer une identification 25 multicritères. L'identification d'un profil de convection peut être faite selon un seul critère mais on augmente significativement la fiabilité de cette identification en utilisant plusieurs critères. Un champ de profil 22 est calculé pour chacun des paramètres choisis 21. Les différents champs ainsi obtenus sont combinés pour obtenir un seul champ de profil 24. La combinaison de 30 ces champs peut être faite par le calcul d'une moyenne 23 avec des poids, éventuellement différents, associés aux critères d'identification. Ces poids peuvent également être adaptés suivant des considérations climatologiques comme pour les seuils des paramètres L'invention a notamment comme avantage de permettre l'extraction d'information d'intensité de convection à partir des informations de réflectivité, de manière efficace. L'invention s'applique aux observations de réflectivité effectuées par un radar météorologique, notamment aéroporté, fonctionnant en bande X. Elle peut aussi s'appliquer pour des radars fonctionnant dans d'autres bandes de fréquences, par exemple en bande W, Ka, C ou S, de type polarimétrique ou non polarimétrique, à effet Doppler ou non. 15 20 The characteristics of the precipitation intensities and therefore the reflectivity distributions may differ according to the climatology of the place of observation. It may then be necessary to adapt the thresholds according to climatological considerations. In addition, the altitude thresholds, for the echo-top and column height criteria, may need to be adapted according to the latitude of the area observed. Indeed, the staging of clouds at altitude is conditioned by the tropopause, the altitude of which depends on the latitude of the place. As illustrated in FIG. 3, it is possible to perform a multi-criteria identification. The identification of a convection profile can be made according to a single criterion but the reliability of this identification is significantly increased by using several criteria. A profile field 22 is calculated for each of the selected parameters 21. The various fields thus obtained are combined to obtain a single field of profile 24. The combination of these fields can be made by calculating an average 23 with weights possibly different, associated with the identification criteria. These weights can also be adapted according to climatological considerations as for the thresholds of the parameters The invention has the particular advantage of allowing the extraction of convective intensity information from the reflectivity information, in an efficient manner. The invention applies to reflectivity observations made by a weather radar, in particular an airborne radar, operating in the X band. It can also be applied for radars operating in other frequency bands, for example in the W, Ka band, C or S, of polarimetric or non-polarimetric type, Doppler effect or not. 15 20

Claims

REVENDICATIONS1. A method of characterizing the convection intensity of a cloud, the reflectivity of said cloud to an electromagnetic wave being distributed in space, characterized in that the distribution of the reflectivity is discretized according to a network of points (i, j, k) of the three-dimensional space, at least one profile (22) is defined as a function (1) of a parameter (21), itself a given two-dimensional numerical function (i, j) of the distribution reflectivity at each point of the grating, said function varying uniformly between a minimum constant value and a maximum constant value, the function being equal to the minimum value when the parameter is below a low threshold (Threshold min) and being equal to the maximum value when the parameter is greater than a high threshold (Max threshold), the cloud being characterized as convective when the profile is equal to one of the constant values and as stratiform when it is equal to the other constant value.

2. Method according to claim 1, characterized in that the function (1) of the parameter (21) is normalized.

3. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the two-dimensional numerical function (i, j), defining a parameter, is calculated in the horizontal plane.

4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that a convective cloud corresponds to the constant high value. 25

5. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the profile is a global profile (24) combining several profiles (22), said global profile being defined by a standardized function of a parameter combining the different numerical parameters. related to said 30 profiles (22).

6. Method according to claim 5, characterized in that the combination of the different parameters (21, 22) is a weighted average.

7. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that a parameter is the integral of the reflectivity according to the vertical dimension (z, k).

8. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that a parameter is a measurement of the column height, according to the vertical dimension, for which the points taken into account are those whose reflectivity value is greater than a given threshold.

9. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that a parameter is the maximum altitude where the reflectivities are greater than a given threshold.

10. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that a parameter is the maximum reflectivity calculated in a given vertical.

11. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that a parameter is the vertical reflectivity gradient between a maximum reflectivity zone and the maximum altitude where the reflectivities are greater than a given threshold.

12. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that a parameter is the horizontal gradient of the reflectivity 25 at a given altitude.

13. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the parameter is calculated in a determined volume. 30